Czasy starożytne. Wykład III

Transkrypt

1 Czasy starożytne Platon ( pne): Republika - matematyka była absolutnym musem w edukacji polityków i filozofów, napis w Akademii: Niech nikt nie znający geometrii nie przekracza tych progów : pierwszy wymóg rekrutacyjny w historii edukacji (nauki)

2 Czasy starożytne Platon połączył teorięempedoklesa ( pne) o 4 elementach z teorią atomową Demokryta ( pne). Jego unifikacja przedstawia 4 elementy jako oddzielne podstawowe cząstki mające kształt brył doskonałych(dopiero Dalton miał podobne idee w chemii w XIX w.) W jego teorii m.in. 20 to Wszechświat Brak piątego elementu? Arystoteles eter (materiał boski) jako piąty element (tzw. quintessence termin przyjęty w kosmologii), teoria eteru dla propagacji światła aż do 1887 (Michelson-Morley) Chemia Platona, np. [woda] ->2 [powietrze]+[ogien] (tylko tak odpowiednio bryły przylegają do siebie) Ale to nie wszystko: dla Platona złożoność materii i zjawisk to nie była najważniejsza rzecz, alenaprawdę fundamentalne są odpowiadające im symetrie

3 Podobne idee wcześniej u Hindusów Upaniszady (VII w. p.n.e.): Brahman, pragnąc sie pomnożyć, stworzył tejas (ogień), ap (wodę) oraz ksiti (ziemię) i wniknął w nie. Póżniej dodano powietrze oraz akasa (eter, przestrzeń, niematerialny byt) teoria pięciu żywiołów (nawiasem mówiąc łącząca się z pięcioma zmysłami) Wykład III

4 Poza tym Hindusi doszli do tych samych wniosków dotyczących ziarnistości materii co Grecy, wykorzystując pojęcie nieskończoności (mieli podstawowe pojęcie o zbiorach nieskończonych) Weźmy górę i pagórek. Która ma więcej cząstek? Góra. Nie możemy dzielić w nieskończoność. Gdyby cząstki można dzielić w nieskończoność, to góra i pagórek zawierałyby taką samą ilość cząstek i straciłyby jakikolwiek sens Wykład III

5 Idąc plażą widzę piasek, który wydaje mi się ciągły, ale gdy spojrzę na niego z bliska wyraźnie widzę, że składa się z drobnych ziarenek. Tak samo jest z wodą morską i każdą inną substancją, Demokryt, uczeń Lekipposa Materia jest ciągła, można ją dzielić bez końca, Arystoteles ( p.n.e) Przez 2000 lat (!) obowiązywała za sprawą Kościoła filozofia Arystotelesa (dotycząca zarówno Wykład III mikro- jak i makro- świata)

6 Antyreklama (lub jak to nazwać?) Trudno porównywać jakąkolwiek starożytną lub średniowieczną kulturę ze współczesną fizyką w taki sposób, by porównanie wypadło korzystnie dla tej ostatniej, W tym przyadku przez współczesny rozumiem okres od Galileusza do dnia dzisiejszego. Niezależnie od doskonałego sprzętu, współdziałanie teorii z praktyką w nowoczesnej filozofii przyrody jak ją się czasami nazywa nigdy nie zostało Historia fizyki cząstek powtórzone właśnie temu Cytat z popularnonaukowej książki, nie podam tytułu, aby nie robić reklamy temu dziełu Wykład III zaprzecza!

7 Kepler, 1596: Mysterium Cosmographicum Platończycy byli zafascynowani symetriami [brył] (także ciekawy przypadek Keplera), nie tylko zresztą oni, fascynacja ta trwa po dzień dzisiejszy i jest jednym z fundamentów fizyki cząstek elementarnych, chociaż nie chodzi już o symetrie brył

8 Podsumujmy ten etap... Wykład III

9 Współczesność (XVII-XIX) Dalton 1808 (atomy, argument?) Mendelejew 1850 Rutherford 1911 jądro (argument?) Mechanizm Higgsa 1964 Bohr 1913 model atomu MS GWS Dirac 1927: spin (g=2), antycząstki T'hooft, Veltman Chadwick 1932 jądro (p+n) Stern 1938 proton g około 5.6 Gellmann, Ne'eman, Zweig 1961 kwarki Wilczek, Politzer, Asymptotyczna swoboda 1973 Prądy neutralne 1974 LEP, Rubia, 1983: cząstki W i Z... Feynman, QED, renormalizacja, 1947 Schwinger, 1947, g=2... Nieabelowe teorie Yanga-Millsa, 1954

10 1895: X-ray, W. Rontgen (Nobel, 1901) 1896 Becquerel: promieniotwórczość (przypadek?) Thomson, Rutherford; dwa rodzaje promieniowania (jakie?) : rad, polon (kto?) 1905: foton (A. Einstein) 1911: jądro - Rutherford 1919: proton - Rutherford 1929: akcelerator van der Graaffa 1930: neutrino (Pauli) 1931: cyklotron E. Lawrence 1932: pozytron C. Anderson Wykład III 1937: mion I. Rabi - "Who ordered that?" Inne spojrzenie

11 Joseph Thomson (1896-) Odkrył elektron, 1897 Nagroda Nobla, 1937 Zakrzywienie promieniowania w polu: ładunek

12 Oryginał: Public domain. This image (or other media file) is in the public domain because its copyright has expired (wiki)

13 Obraz obecny: materia (fermiony) i siły (bozony) skrót myślowy! Kartezjusz ciała oddziałują bezpośrednio Newton także na odległość 1. Grawitacja 2. Elektryczność i magnetyzm

14 Demon Laplace'a Pod koniec XIX wieku uważano, że fizyka jest już pełna nauką: rządziła teoria mechanistyczna Newtona, najdobitniej wyrażona przez Laplace'a w postaci tzw. Demona (w 1814 PierreSimon Laplace powiedział, że gdyby znał dokładne położenie i pęd każdego atomu w kosmosie, mógłby za pomocą zasad Newtona określić całą przeszłość Wykład III i przyszłość

15 Oddziaływanie elektromagnetyczne Nie można wytłumaczyć w ramach teorii mechanistycznej (siły nie działają wzdłuż prostej, zależą od prędkości) Faraday, Maxwell: POLE Oersted, Faraday: pierwsza unifikacja sił

16 Kwantowa wersja elektromagnetyzmu (QED) Foton Dualizm falowokorpuskularny Zasada nieoznaczoności Heisenberga (cząstki wirtualne)

17 Kwantowa wersja elektromagnetyzmu (QED) Odpychanie (ale proszę nie traktować tego typu obrazków zbyt dosłownie!)

18 Kwantowa wersja elektromagnetyzmu (QED) Odpychanie: także wymiana wirtualnych cząstek

19 Następne oddziaływanie: oddziaływania słabe Oddziaływanie słabe różni się znacznie od dwóch poprzednich oddziaływań. Jest wiele milionów razy słabsze i nie spełnia podstawowych symetrii (dyskretnych): symetrii odbicia zwierciadlanego P (Lee,Yang, 1956) symetrii zamiany cząstek na antycząstki C (Wu, 1957) nie jest też symetryczne ze względu na obydwie te symetrie dokonane łącznie: symetrii CP (Cronin, Fitch, 1964) Pełną teorię oddziaływań słabych podali w 1967 roku Glashow, Weinberg i Salam [Nobel 1979]: Phys. Rev.Letters (SPIRES) G. t Hooft, M. Veltman pokazali w latach , że teoria elektrosłaba jest renormalizowalna [Nobel 1999].

20 Pierwszy przykład oddziaływania słabego, rozpad beta

21 Następne oddziaływanie: silne (QuantumChromoDynamics) wymiana kolorów (gluonów) Zupełnie inny typ oddziaływań: uwięzienie kwarków oraz pojęcie asymptotycznej swobody

22 QCD: trwałe jądra (siły Yukawy) Wymiana pionów u d Wymiana pionów, teoria 1935 Nieustanna zmiana protonneutron w jądrze, swobodny neutron rozpada się po ok. 15 minutach!

23 Cząstki zbudowane z kwarków są bezbarwne Mezony (kwark antykwark: np. (B)lue kwark + żółty antykwark) Bariony (3 kwarki: RGB)

24 Dlaczego kolor? Po odkryciu w 1947 roku pionów, nukleony straciły uprzywilejowaną pozycję Problem: 1951 (Fermi), cząstka ++, która ze względu na ładunek powinna składać się z kwarków uuu, z kolei spin wynosi 3/2, więc możliwe, gdy 3 kwarki mają skierowany rzut spinu w tym samym kierunku (np. do góry): jest to więc stan kompletnie symetryczny: sprzeczne ze statystyką Diraca Wprowadzając kolor, rozróżniamy kwarki dodając wewętrzny stopień swobody W ten sposób zniknął problem statystyki: stan cząstki jest antysymetryczny ze względu na kolor Wymiana koloru pomiędzy kwarkami skleja hadrony (gluony) Gluony to kwanty pola kolorowego (QCD)

25 Foton Gluon Z różnego oddziaływania w QED (teoria abelowa) i QCD (teoria nieabelowa) wynika różnica w tzw. Efekcie ekranowania ładunku w próżni QED (pozytrony z wykreowanych par zbliżą się do badanego elektronu, zbliżając się do sondowanego elektronu, przebijamy się przez ich warstwę: ładunek rośnie) Mniejsza odległość większa energia Ładunek efektywny Odległość od gołego ładunku

26 Foton Gluon Uwięzienie kwarków QCD Ze względu na dolne oddziaływania, kwarki tego samego koloru pojawiają się wokół gołego badanego kwarka Na małych odległościach (duże energie) tzw. asymptotyczna swoboda Efektywny kolor (strong) Odległość od gołego kwarku 1 fm

27 Ekranowanie ładunku w QED Przy energii zderzenia E, efektywny ładunek oddziaływania zawarty jest w sferze o promieniu r=1/e, ze względu na polaryzację próżni jest on większy niż widziany z odległości R >> r.

28 Kwarki mają kolor, ale na zewnątrz stany białe QCD: Kolorowe gluony nie mogą się propagować do nieskończoności, potencjał V(r) proporcjonalny do r QED: część fotonów może propagować do nieskończoności, przyciąganie elektron-pozytron nie jest więc tak silne, V(r) odwrotnie proporcjonalne do r kwark pozytron elektron antykwark Bardzo intuicyjna interpretacja

29 Przy próbie rozerwania hadronu, rośnie energia potencjalna, aż hadron pęka produkując osobne wiązki cząstek (tzw. jety) Produkują się swobodne kwarki, które kończą w postaci hadronów

30 arxiv:

31 Właściwie teraz możemy pokusić się o głębszą odpowiedź na pytanie skąd biorą się trwałe nukleony? Kwarki w nukleonach związane gluonami (wymiana kwantów koloru) A trwałe jądra?... jeśli na zewnątrz nukleony są białe? A oddziaływanie silne są związane z wymianą koloru? mówiliśmy już o wymianie pionów (siły Yukawy) utrzymujące stabilne jądra (tak zresztą oszacowano masę pionów jeszcze przed ich odkryciem), ale wymiana pionów a priori nie jest gwarantem ich stabilności, to coś więcej to efektywna wymiana koloru Cząstki składają się z neutralnych atomów i są trwałe dzięki siłom Van der Waalsa, podobnie jądra składają się z neutralnych nukleonów wymieniających kolor (przekrywające się funkcje falowe)

32 Siły Van der Waalsa: wiązanie chemiczne i potencjał oddziaływania nukleonów Tutaj: Ładunek - elektryczny lub kolor V(r) Wolny wzrost na skutek polaryzacji ładunków, powstają momenty, które oddziaływują r Odpychanie: te same ładunki zbyt blisko siebie Szybki wzrost oddziaływania gdy powłoki się przekrywają

33 Trzy oddziaływania- QCD, QED oraz słabe są w chwili obecnej opisywane przez teorię nazywaną MODELEM STANDARDOWYM (MS). Model ten unifikuje oddziaływania słabe i elektromagnetyczne. Nawet przyjęła się specjalna nazwa oddziaływania elektrosłabe. MS świetnie zgadza się z doświadczeniem, ze wszystkich jego elementów jeden element czeka jeszcze na weryfikację cząstka(i) Higgsa, a więc problem powstania masy (nie oznacza to, że MS uważamy za teorię doskonałą)

34 I wiele, wiele wiecej... I to wszystko

35

36 znaczy: lekkie LEPTONY naładowane (elektron, mion, tau) HADRONY obojetne (neutrina) zbudowane z kwarków bariony mezony

37 No i nie zapomnijmy o antymaterii

38 Diagramy Feynmana

39

40 To nowość w stosunku do QED: sprzężenia pomiędzy samymi bozonami Jak w QED Gluony nie sprzęgają się z leptonami

41 Rozmiary Wykład III Nasz świat: 3 typy cząstek materii (e,u,d) Ogromna różnica skal

42 T=1014 K

43 Jednostki Masa protonu to mniej więcej 1 GeV (ev) J GeV (h) J s (c) s m Tak jak pokazałem w Tabeli cząstek, masę określamy w elektronowoltach Kg? GeV 1 GeV = ^(-27) kg

44 Co dalej? Czy istnieje teoria GUT? Dlaczego istnieje tak wiele cząstek? Dlaczego tak się grupują? Dlaczego mają takie, a nie inne masy? Czy istnieją dodatkowe wymiary? Jak rozwiązać problem ciemnej materii? Czy istnieją nieodkryte prawa natury (symetrie?) Jaką naturę mają neutrina? Jak powstał Wszechświat? Dlaczego przeważa materia nad antymaterią?...